王 勇 周元甲 趙 鵬 王文武

1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018；

2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710018

0 前言

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的能源，迅速地得到廣泛應(yīng)用。 面對(duì)越來(lái)越緊張的天然氣資源和日益增長(zhǎng)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要， 以及社會(huì)生活對(duì)天然氣的需求，井口伴生氣回收治理已成為油田提高伴生氣產(chǎn)量，節(jié)能減排的重要措施之一［1］。

地處鄂爾多斯盆地的中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田，具有站點(diǎn)多、分布廣且井場(chǎng)布置分散，分布區(qū)域廣泛的特點(diǎn)。 在油田采油生產(chǎn)過(guò)程中，由于井口伴生氣量小，難以形成經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值，大多被直接排放或燃燒，既浪費(fèi)了寶貴資源，又污染了環(huán)境。 目前在某些區(qū)塊使用定壓閥回收套管氣，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 但是在一些低滲透油田，由于油層壓力低無(wú)法使用定壓閥回收， 只能放空處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田井場(chǎng)平均放空量達(dá)400 Nm3/d，造成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。 因此，有必要開(kāi)展經(jīng)濟(jì)回收井口伴生氣的研究工作［2］。

1 采油原理

采油工藝普遍采用抽油機(jī)、抽油桿及抽油泵組成的抽油裝置，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 采油工作原理

原油開(kāi)采過(guò)程中, 不同的油層具有不同的原始油氣壓力p1。 一定的油氣量經(jīng)過(guò)油層以及壓力砂層滲透到套管內(nèi)， 克服流動(dòng)阻力后的剩余壓力為p2。 在一定的油層結(jié)構(gòu)中，不同的油量其流動(dòng)阻力也不同，所以p2隨著采油量的大小也將變化。 采油量越大則剩余壓力p2就越小。 由圖1 中可知：

p2=p3+hρ

式中：p3為套管氣壓力，MPa；h 為套管內(nèi)原油動(dòng)液面高度，m；ρ 為原油密度，kg/m3。

放空套管氣降低壓力，可提高動(dòng)液面高度；提高套管氣壓力，將使動(dòng)液面高度下降。動(dòng)液面高度下降的極限高度是當(dāng)活塞上行抽油時(shí)， 動(dòng)液面高度不能低于油管底閥所處高度。 動(dòng)液面下降至極限高度時(shí)，套管氣壓力p3所能達(dá)到的值也就是正常采油時(shí)套管氣壓力所能達(dá)到的最大極限值。 因此，增加泵掛深度，可提高套管氣壓力p3。

另一方面，減少采油量可提高p2值，p3值同時(shí)升高。由此可知：在采油量一定的情況下，提高或降低套管氣壓力只是引起動(dòng)液面的降低或升高而對(duì)抽油量不產(chǎn)生影響。

在采油量一定時(shí)，只要地層原始油氣壓不變，則p2就是一個(gè)定值，此時(shí)若關(guān)閉套管氣放空閥，套管內(nèi)氣壓就會(huì)逐漸上升，同時(shí)動(dòng)液面逐漸下降。當(dāng)p3升高到大于輸油管井口回壓p4時(shí)， 如果動(dòng)液面的下降并沒(méi)有影響到套管內(nèi)原油正常通過(guò)底閥進(jìn)入油管向外輸油， 則套管氣就可通過(guò)定壓閥直接進(jìn)入輸油管線，隨原油一起向下游輸送。

因此如何保證油液面高度是提高抽油效率的關(guān)鍵。油液面高度受套管內(nèi)壓力影響較大。 若在井口使用定壓閥回收套管氣匯入輸油管線時(shí)， 勢(shì)必增加套管內(nèi)壓力，影響管內(nèi)油液面高度。 因此在保證正常采油的情況下，采用下述方法回收井口伴生氣［3-4］。

2 井口伴生氣回收技術(shù)

2.1 定壓閥回收技術(shù)

定壓閥回收裝置見(jiàn)圖2，由于定壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此在許多站場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。 采用定壓閥回收套管氣時(shí)主要分析以下工況：沉沒(méi)度即泵深與動(dòng)液面的差值偏?。痪诨貕狠^正常值高；井口回壓波動(dòng)。 目前結(jié)構(gòu)形式的定壓閥需經(jīng)常設(shè)定開(kāi)啟壓力以滿足井口回壓變化要求，為了減少工作量，一般設(shè)定定壓閥開(kāi)啟壓力值高出井口回壓。 在冬季氣溫低時(shí)，定壓閥啟閉時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致出現(xiàn)定壓閥凍堵、開(kāi)啟不靈敏等現(xiàn)象。

定壓閥回收工藝中存在的問(wèn)題：若井口回壓值小于設(shè)定的定壓閥壓力值，則套管氣無(wú)法排出，嚴(yán)重影響采油生產(chǎn)。 為解決這一矛盾，有的站場(chǎng)采用小型壓縮機(jī)組回收裝置。

圖2 定壓閥回收裝置

2.2 壓縮機(jī)組增壓回收技術(shù)

壓縮機(jī)組增壓回收裝置見(jiàn)圖3， 是采用在井口安裝小型壓縮機(jī)，將井口伴生氣引入壓縮機(jī)入口，采用連續(xù)增壓的方式將井口伴生氣外輸至下游接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站，再輸至輕烴處理廠進(jìn)行處理加工成LNG。

圖3 壓縮機(jī)組增壓回收裝置

在中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田采油一廠王南區(qū)采用壓縮機(jī)組增壓回收產(chǎn)量較大的井場(chǎng)套管氣，實(shí)際測(cè)試回收的套管氣日平均氣量為1 600 m3，降低井口回壓0.2～0.4 MPa，減少抽油機(jī)動(dòng)力耗能15%以上。

在井場(chǎng)中采用壓縮機(jī)組增壓回收技術(shù)能充分回收井口伴生氣，但由于井場(chǎng)分布點(diǎn)多、面廣，采用該技術(shù)成本高，且由于壓縮機(jī)組露天布置，雨雪天氣等外界環(huán)境條件會(huì)嚴(yán)重影響壓縮機(jī)組增壓效率和使用壽命。 因此壓縮機(jī)組增壓回收技術(shù)適宜用在井口伴生氣量較大的單井井場(chǎng)，或由多個(gè)單井組成的叢式井場(chǎng)［5-6］。

2.3 增壓泵回收技術(shù)

增壓泵回收技術(shù)是在綜合了定壓閥回收技術(shù)、壓縮機(jī)組增壓回收技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)后開(kāi)發(fā)的井口伴生氣回收技術(shù)，增壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。 工作原理：將增壓泵掛在抽油機(jī)油梁上，氣缸體與抽油機(jī)支架鉸接，柱塞上部與油梁鉸接。 當(dāng)抽油機(jī)抽油桿向上工作時(shí)，抽油機(jī)油梁帶動(dòng)活塞向上動(dòng)作，在泵的底腔形成負(fù)壓，此時(shí)來(lái)氣壓力0.3 MPa，大于增壓泵底腔的壓力，氣體打開(kāi)單向流動(dòng)閥進(jìn)入泵的底腔。 當(dāng)抽油機(jī)抽油桿行至上止點(diǎn)轉(zhuǎn)換方向，抽油桿向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)活塞桿向下運(yùn)動(dòng)壓縮底腔的氣體至0.7 MPa，外輸至輸油管線。 同時(shí)在增壓泵活塞桿向下作用的同時(shí)，增壓泵頂腔形成負(fù)壓，氣流在一定的壓力下沖開(kāi)頂部單向流動(dòng)閥，進(jìn)入泵頂腔。 當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行至下止點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)變方向?qū)斍粴怏w進(jìn)行壓縮至0.7 MPa，然后外輸，底腔處于吸氣狀態(tài)。 抽油機(jī)抽油桿上下動(dòng)作的過(guò)程完成一個(gè)工作循環(huán)。 增壓泵是利用抽油桿在上下作用時(shí)通過(guò)油梁對(duì)套管泵活塞桿作用， 繼而通過(guò)對(duì)氣體作功來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓目的。 套管氣增壓泵所需要的能量主要是抽油機(jī)所消耗的電量， 即電機(jī)通過(guò)減速箱傳遞給活塞桿上的扭矩。 增壓泵回收技術(shù)具有降低井口回壓，提高井底泵的效率，消除井底泵氣鎖現(xiàn)象發(fā)生的特點(diǎn)［7-8］。 增壓泵在長(zhǎng)慶油田侯南作業(yè)區(qū)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 增壓泵測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)井下抽油原理的分析，提出了井口伴生氣的回收技術(shù)和方法，分析和比較了井口伴生氣回收中的定壓閥回收技術(shù)、壓縮機(jī)組增壓回收技術(shù)和增壓泵回收技術(shù)，特別是新近研制成功的增壓泵回收技術(shù)。 該技術(shù)吸收了定壓閥回收技術(shù)和壓縮機(jī)組增壓回收技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有能耗低、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、回收氣量大的特點(diǎn)。 該技術(shù)的推廣應(yīng)用不但可回收井口伴生氣，減少環(huán)境污染，而且能使過(guò)去被燒掉的伴生氣資源得以綜合利用，社會(huì)效益顯著。 該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用成果可推廣到中國(guó)各大油田以及邊遠(yuǎn)井場(chǎng)的伴生氣回收。

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